JPS63142687A - 極低温用配線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は極低温において動作し、高速で動作せしめるこ
とが可能な超電導材料等を用いた回路の極低温用配線に
係り、とくに高信頼性を有し、かつ熱伝導による冷却損
失の少ない特質を有する、室温と極低温間を結ぶ極低温
用配線に関するものである。

［従来の技術］ 従来、極低温、すなわち液体ヘリウム温度近傍で動作さ
せる超電導性回路に対して、室温回路系から信号の出し
入れを行う接続配線あるいは電源導入用配線等には、独
立した銅ケーブルが用いられて来た。

この種の装置として関連するものには、例えば、特開昭
５８−１７６９８０号公報等が挙げられる。

［発明が解決しようとする問題コ 従来の独立したケーブルを用いる場合、以下の欠陥ある
いは問題点を有していた。

（１）極低温における回路系が大規模になり、複雑化す
るほど、室温系と極低温系を結ぶ配線本数が増加する。

配線本数が増加すれば、熱伝導による熱侵入量が増加し
、極低温系の冷却効率が低下する。

（２）同様に配線本数が増加すれば、断線等により、信
頼性が低下する。

（３）同様に配線本数が増加すれば、結線が困難となる
。

とくに問題点（１）の内容を詳述すると以下の通りであ
る。超電導回路等が複雑化すると、室温系と低温系を結
ぶ配線本数が増加する。１個の集積回路チップにおいて
も、論理回路のゲート数が数千あるいは１万を越えると
、室温系と低温系を結ぶ配線本数として１００本以上必
要となる。これが、集積回路チップ多数個によって構成
された超電導計算機システムとなると、必要な配線本数
はさらに増加する。配線材料としては通常、銅線が用い
られる。銅の室温から液体ヘリウム温度における熱伝導
度は一定ではないが、はぼＩＯＷ／ｃｏ＋・ｄｅｇであ
る。直径０．２ｍｍの長さ５０ｃｍの銅線を１００本用
いる場合、室温系から液体ヘリウム温度系への熱侵入は
１．９Ｗとなる。これは液体ヘリウムの蒸発速度として
１時間に２．６Ｑとなる。

この値は絶縁被覆および静電遮蔽用導線被覆を考慮しな
い場合の値である。これらの配線部品を通過する熱侵入
を考慮し、さらに超電導計算システムについて考えると
、配線を通じた熱侵入による液体ヘリウムの蒸発量は１
時間当り数十Ｑとなる。

このような冷却損失に対しては、大規模なヘリウム液化
システムとこれを運転する電力および冷却水が必要であ
る。なお、１万ゲートを塔載した論理回路チップの消費
電力は０．０２Ｗであり、熱伝導による熱侵入量の１／
１０以下である。このことから、熱侵入量は超電導回路
システムにおける必要な冷却容量に対する主要な部分を
占める。

本発明の目的は、上記欠陥あるいは問題点を解決し、室
温系からの熱侵入が少なく、信頼性を有し、接続が容易
な配線構造を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、極低温における回路系と室
温における回路系とを結ぶ複数本数の配線を同一絶縁基
板上に配列する。これら配線列を構成する導電材料およ
び絶縁材料は蒸着法、スパッタリング法、メッキ法ある
いは化成蒸着法等の薄膜形成技術を用いて形成し、所望
するパタンに整形する。さらに必要に応じて、配線の１
本ずつ。

あるいは２本ずつ導電性材料によって個別に覆うことに
よって、電気的な雑音遮蔽を行う。あるいは、配線の一
部、あるいは全体をＦｅ−Ｎｉ合金によって覆うことに
よって、磁気的な雑音遮蔽を行う。

［作用コ 低温系と室温系を結ぶ配線として単一銅線を用いる場合
、強度的な制約から、断面積が大きくなる。強度的な制
約を除いた場合、配線断面積を規定する因子は電気抵抗
による発熱である。断面が１０μｍＸ１０μｍ角で、長
さ１ｍの銅線に対し、超電導回路に必要な１ｍＡの電流
を流す場合、１本の銅線に対する発熱量は１０μＷ程度
である。

このことから、１０μｍＸ１０μｍ角程度の断面積を有
する銅配線は、発熱の点から十分な断面積を有すること
になる。

かくのごとく断面積が小さい銅配線を形成し。

かつ保持するために、絶縁基板上に、蒸着法、スパッタ
リング法、メッキ法あるいは化成蒸着法等の薄膜形成技
術、および光学的露光法あるいはエツチング法等のバタ
ン形成技術を用いて銅膜の配線列を形成する。上に述べ
た断面積が１００μボ程度の銅膜配線を用いた場合、熱
伝導損は単一銅線を束ねて用いた場合の１％以下になる
。なお、絶縁基板には、当然のことながら熱伝導率の低
い材料を用いることが望ましい。

［実施例］ 本発明の実施例を以下に示す。

［実施例１］ アルミナ（ＡＱ２０３）を主成分とするセラミツク材料
を用いて、厚さ１ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ５００Ｉ１１
の基板に整形した。真空蒸着装置にセラミックよりなる
基板１を設置し、真空蒸着法によってセラミックよりな
る基板１の片側全面に銅（Ｃｕ）を蒸着した。蒸着時に
、Ｃｕ膜厚の均一性を向上させるために、セラミック基
板の長手方向に一定の速度で基板を移動させる。セラミ
ック基板全面に蒸着されたＣｕ膜の厚みは２μｍとした
。

つぎにＣｕ膜を形成したセラミックの基板１全面にレジ
スト材をコーティングした。レジスト材はポジ型とした
。ビームを集束した水銀ランプ光をセラミック基板の長
手方向に移動させることによって、レジスト材を線状に
露光させた。さらに現像工程等を経ることによって、幅
５０μｍ、間隔５０μｍの線状レジストパタンを得た。

塩化第２鉄（ＦｅＣＱ３）の希釈液によって、レジスト
に覆われていないＣｕ膜部分を化学的にエツチングする
ことにより、第１図に示すごとき１幅５０μｍ、厚さ２
μｍ、間隔５０μｍの１００本の銅配線膜２を得た。

この銅配線膜２を配列したセラミックよりなる基板１を
用いて液体ヘリウム温度系の超電導回路チップと室温系
回路との電気的接続を行った。このＣｕ膜配線２を通じ
て、０．２ｍＡの信号を入出力、および１００ｍＡの電
源電流の供給を行ったが、発熱等による冷却上の問題は
生じなかった。

セラミック基板１およびＣｕ膜配線２を通じた熱侵入は
０．１Ｗ程度であり、液体ヘリウムの蒸発に対する影響
は、液体ヘリウムの量として１時間当り０．２Ｑ以内で
あった。

［実施例２コ アルミナ（ＡＩ２２０３）を主成分とするセラミック材
料を用いて、厚さ１ｍｍ、幅１２ｍｍ、長さ５０ｃｍの
板に整形した。真空蒸着装置にセラミックの基板１を設
置し、真空蒸着法によってセラミック基板の片側全面に
銅遮蔽膜３となるＣｕを蒸着した。なお、セラミックの
基板１の長手方向の両端にはメタルマスクを用いて、Ｃ
ｕの付着しない部分を設けた。Ｃｕの膜厚は２μｍとし
た。

つぎに銅遮蔽膜３を形成したセラミックの基板１全面に
スパッタ法によって５ｉ０２膜を形成した。膜厚は２μ
ｍとした。ＳｉＯ２膜を形成したセラミック基板全面に
レジスト材をコーティングした。レジスト材はポジ型と
した。ビームを集束した水銀ランプ光をセラミック基板
の長手方向に移動させることによって、レジスト材を線
状に露光させた。さらに現像工程等を経ることによって
。

幅９０μｍ１間隔１０μｍの線状レジストパタンを得た
。ＣＨＦ３ガスを主成分とする反応性イオンエツチング
によって、レジストに覆われていないＳｉＯ２膜部分を
除去することにより、幅９０μｍ、厚さ２ｐｍ、間隔１
０μｍの１００本の５ｉ０２絶縁膜４の列を得た。

つぎにＳｉ○２絶縁膜４を形成したセラミック基板１上
に前記方法と同様の手法により膜厚２μｍのＣｕ膜を形
成し、下地ＳｉＯ２膜の各中央部に幅５０μｍの銅配線
膜２の列を形成した。

さらに、銅配線膜２の列を形成したセラミックの基板１
上に前記方法と同様の手法により、膜厚３μｍのＳｉＯ
２膜を形成し、下地ＳｉＯ２絶縁膜４の各中央部に幅７
０μｍのＳｉＯ２絶縁膜４′の列を形成した。

さらに５ｉ０２絶縁膜を形成したセラミック基板上に全
面に銅遮蔽膜３′となるＣｕを蒸着した。

なおセラミックの基板１の長手方向の両端にはメタルマ
スクを用いて、Ｃｕの付着しない部分を設けた。Ｃｕの
膜厚は４μｍとした。

以上の工程により、個々の銅配線膜２に対して外部から
、および相互の高周波雑音を遮蔽する銅遮蔽膜３ならび
３′を設けた配線基板を完成した。

このＣｕ膜を配列したセラミック基板を用いて前記実施
例１と同じく、液体ヘリウム温度系の超電導回路チップ
と室温系回路との電気的接続を行い、はぼ同様の熱的特
性を得た。

［実施例３］ アルミナ（ＡＱ２０３）を主成分とするセラミック材料
を用いて、厚さ１ｎｏｎ、幅１２ｍｍ、長さ５０ｃｍの
板に整形した。真空蒸着装置にセラミックの基板１を設
置し、真空蒸着法によってセラミック基板の片側全面に
Ｆｅ−Ｎｉ合金膜を蒸着した。

なお、セラミック基板の長手方向の両端にはメタルマス
クを用いて、Ｆｅ−Ｎｕ金合金付着しない部分を設けた
。Ｆｅ−Ｎｉ合金膜５の膜厚は１０μｍとした。

つぎにＦｅ−Ｎｉ合金膜５を形成したセラミツク基板１
全面にスパッタ法によってＳｉＯ□絶縁膜４を形成した
。膜厚２μｍとした。

つぎに５ｉ０２膜を形成した基板１上に前記方法と同様
の方法により膜厚２μｍのＣｕ膜を形成し１幅５０μｍ
で間隔５０μｍの銅配線膜２の列をバタンユング法によ
り形成した。

さらに銅配線膜２の列を形成したセラミック基板上に前
記方法と同様の方法により膜厚３μｍのＳｉｎ、、絶縁
膜４′を形成した。

さらにＳｉＯ３絶縁膜を形成したセラミック基板上全面
にＦｅ−Ｎｉ合金膜５′を蒸着した。Ｆｅ−Ｎｉ合金膜
５′の膜厚は１０μｍとした。

以上の工程により、銅配線膜の周囲に磁気的雑音を遮蔽
するＦｅ−Ｎｉ合金膜を設けた配線基板を完成した。

この銅配線膜２を配列したセラミック基板１を用いて、
前記実施例１および２と同じく、液体ヘリウム温度系の
超電導回路チップと室温系回路との電気的接続を行い、
はぼ同様の熱的特性を得た。

本実施例では、基板材料としてセラミックを使用したが
、他の絶縁物材料でもよい。

［発明の効果］ 以上実施例において述べたごとく、本発明による極低温
回路系と室温回路系とを電気的に接続する配線構造を用
いれば、以下に述べる種々の効果を得ることができる。

（１）配線系を通じて室温系から低温系に流入する熱侵
入割合が、従来の銅線等を束ねて用いた場合より１／１
０以下に減少する。このことにより冷却に必要な液体ヘ
リウム等の量が１７１０以下で低温回路系を冷却できる
ことになる。

（２）断線等による配線の故障割合が大幅に低減できる
。これは配線全体を一体としたことによる効果である。

（３）配線を基板上に順番に配列した構成であるから、
結線の誤りを生じ難い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の配線構造を示す横断面図、
第２図は本発明の実施例２の配線構造を示す横断面図で
ある。第３図は本発明の実施例３の配線構造を示す横断
面図である。 １・・・基板、２・・・銅配線膜、３・・・銅遮蔽膜、
４・・・Ｓｉ○絶縁膜、５・・・Ｆｅ−Ｎｉ合金膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、極低温における回路系と室温における回路系とを結
   ぶ複数本数の配線を絶縁物よりなる基板上に配列してな
   ることを特徴とする極低温用配線。 ２、特許請求の範囲第１項記載の極低温用配線において
   、前記基板上に形成された配線が、同じく同一基板上に
   形成された導電性材料によって、覆われ、電気的に遮蔽
   されてなることを特徴とする極低温用配線。 ３、特許請求の範囲第１項記載の極低温用配線において
   、前記配列を構成する導電材料および絶縁材料が、蒸着
   法、スパッタリング法、メッキ法、あるいは化成蒸着法
   等の薄膜形成技術を用いて形成され、かつ必要とする任
   意のパタンに整形されてなることを特徴とする極低温用
   配線。 ４、特許請求の範囲第１項記載の極低温用配線において
   、前記基板上に形成された配線が、同一基板上に形成さ
   れたＦｅ−Ｎｉを主成分とする磁性材料によって覆われ
   、磁気的に遮蔽されてなることを特徴とする極低温用配
   線。